CN112464919B - 一种手雷投掷训练智慧安全监控方法 - Google Patents

一种手雷投掷训练智慧安全监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手雷投掷训练智慧安全监控方法，包括：布置一套手雷投掷智慧安全监控系统；进行投掷者身份确认；判断投掷者站立位置和进行投掷者握弹姿态安全性分析；持续进行投掷者拔掉保险销检测；检测投掷者握持手雷是否出现松动；持续进行手雷滑落掉弹检测；持续检测投掷者投弹姿势并记录预警。本发明的手雷投掷训练智慧安全监控方法，能够有效预防手雷投掷训练过程中容易产生的各种危险情形，同时更加智能地帮助士兵进行投弹训练，既能实时监控投弹环境、投弹场景是否出现危险情况，也能为部队指挥员分析士兵投弹情况提供数据支撑。

Description

一种手雷投掷训练智慧安全监控方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉技术领域，特别地，涉及一种手雷投掷训练智慧监控方法。
背景技术
手雷是一种能攻能防的小型手投弹药，也是使用较广、用量较大的弹药。它既能杀伤有生目标，又能破坏坦克和装甲车辆等。由于手雷具备体积小、重量轻，易携带、使用方便等特点，是步兵手中称心如意的有力投掷武器，即使现代化的军队，到现在都有装备，不会轻易退出战场。
一般手雷的杀伤半径为6米，某些大威力的手雷爆炸产生的破碎片，即使在50米的距离内，依然有杀伤力。手雷击发后延期时间一般为3.5-4.5秒，因此为了安全考虑在训练时要求士兵在拔掉保险销后尽快投出。因为手雷本身杀伤力大，而新训战士会受到天气、环境、心理状态等因素的影响，可能在模拟弹投掷中表现良好，而在实弹投掷时手雷离手过早或过晚，甚至出现手雷滑落掉弹的情况。此类情况如果应对不当，就会造成训练事故，导致严重伤亡。
因此，为了预防手雷投掷训练时容易产生的各种危险情形，同时更加智能地帮助士兵进行投弹训练，迫切需要建立一套手雷投掷智慧监控系统，既能实时监控投弹环境、投弹场景是否出现危险情况，也能为部队指挥员分析士兵投弹情况提供数据支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手雷投掷训练智慧安全监控方法，该安全监控方法能对手雷投掷训练进行数字化管理，记录分析投掷数据，同时对手雷投掷过程中是否出现险情进行预警监控，以提高手雷投掷训练时的安全性和智能化。
为实现上述目的，本发明提供了一种手雷投掷训练智慧安全监控方法，包括以下步骤：
S1、布置手雷投掷训练智慧安全监控系统，所述智慧安全监控系统包括一台监控计算机、安装在投弹训练场地内的两台摄像机以及用于预警和播报语音的无线耳机；其中一台所述摄像机设置于投掷者投弹位置的正前方，用于捕捉整个场地环境和进行投掷者动作分析；另外一台所述摄像机设置于投掷者投弹位置的右前方，用于进行辅助数据分析和投掷者动作安全监控分析；两台所述摄像机分别与所述监控计算机相连接；所述无线耳机由教官佩戴；
S2、监控计算机协同处理两台所述摄像机获得的实时图像信息，当检测到有人员进入投弹区域时，启动投掷者身份确认程序，判断该人员是否为系统授权的投掷者；
S3、对进入的投掷者进行持续性监控分析，判断其站立位置和进行握弹姿态安全性分析；
S4、持续检测投掷者是否拔掉手雷的保险销；
S5、在投掷者拔掉保险销后检测投掷者握持手雷是否出现松动；
S6、持续监控投掷者右上肢与躯干的相对位置，判断当前帧所处的投掷阶段，并记录各阶段的持续时间；
S7、持续监控是否存在手雷滑落掉弹状态发生；
S8、持续检测投掷者的投弹姿势，在检测到投掷者拔掉保险销后，进行计时，若超过2秒投掷者仍未将手雷抛出，则发出警告预警，提醒投掷者尽快抛出手雷。
进一步的，所述步骤S1中的投弹训练场地包括准备区域、投弹区域、矮墙和高墙，所述投掷者投弹位置与所述矮墙之间的距离为70～80cm；所述智慧安全监控系统中的两台所述摄像机分别为高清球机A和高清球机B，所述高清球机A和高清球机B均安装在所述高墙和矮墙之间，且所述高清球机A安装在所述高墙的长度方向正中央的位置，高度为110～130cm，所述高清球机A正对投掷者设置，以使其可以拍摄到投掷者及教官的脸部；所述高清球机B距离所述高清球机A120～180cm，所述高清球机B的高度与所述高清球机A的高度相同，所述高清球机B侧向对准投掷者设置，以使其可以拍摄到投掷者的侧身及手部区域。
进一步的，所述步骤S2中确认人员身份的具体做法为：采用人体检测算法对投弹区域进行监控，一旦监控到投弹区域内有人员出现，则采用Intel VAS算法进行人脸检测，随后进行人脸识别，与后台人脸数据库进行对比，上传系统；若识别到该人员为系统授权的投掷者，则记录下其身份ID，并持续进行人体跟踪，且将跟踪结果存入其训练投掷的全部过程影音资料中；若无法识别该人员身份，则发出警报，通知相关机构未知身份人员闯入，需立即进行介入。
进一步的，所述步骤S3中判断投掷者站立位置和进行握持手雷姿态安全性分析的具体做法为：根据事先划定的投弹区域，检测投掷者所出现的区域，判断投掷者是否站立在投弹区域内；并检测投掷者握弹方式是否正常。
进一步的，检测投掷者握弹方式是否正常的方法包括如下步骤：
(1)、对投掷者进行人体检测和姿态估计：利用openpose人体姿态检测算法，检测出投掷者的右手手部位置；
(2)、针对投掷者的右手局部图像进行分析，判断手雷持握位置；结合两台所述摄像机拍摄的同步图像，寻找合适角度的图片，对投掷者的右手进行握弹分析；
(3)、根据提前采集到的手雷顶部图片，制作手雷顶部区域的模板图像，然后采用模板匹配方法，检测出手雷顶部区域位置；具体地，首先对投掷者右手的手部图像进行肤色检测，识别出全部的手部区域位置，手部区域位置不参与之后的模板匹配；然后利用openpose的手指关节点信息找到虎口位置；最后，在虎口位置附近的图像区域利用事先制作的手雷顶部区域的模板进行匹配，若匹配度高于预设阈值，则认为检测出手雷顶部区域位置；
(4)、判断手雷顶部最上方位置距离右手虎口的相对位置：若手雷顶部区域的质心距离投掷者虎口上面的距离超过检测到的手部肤色区域高度的0.05，则认为手雷持握过高，发出持握过高预警；反之，若该距离小于检测到的手部肤色区域高度的0.01，则认为手雷持握过低，发出持握过低预警；其他情况，则认为正常。
进一步的，
所述步骤S4中检测投掷者是否拔掉手雷的保险销的具体方法为：
(1)、持续检测投掷者的人体姿态，识别出投掷者左右手的姿态；
(2)、根据投掷者左右手的相对位置，判断左右手是否相对靠近，即将做出拔保险销动作；
(3)、当投掷者的左右手距离低于某预设阈值，则检测左手手指各关节点位置变化，计算手部主要关节点是否出现旋转动作；
(4)、若检测出左手出现旋转动作，且旋转角度超过某预设阈值，则认为拔保险销动作即将完成。
进一步的，所述步骤S5中检测投掷者握持手雷是否出现松动的具体方法为：检测手雷顶部左上角是否出现白色圆点；对手雷顶部图像进行二值化处理，分割出白色区域，并检测该白色区域的圆形度即(4*π*area)/(L*L)，其中area为该区域的面积，L为该区域的周长；若该圆形度小于0.1，且area小于预设值，则认为握持手雷出现了松动，发出警告预警
进一步的，所述步骤S6中判断当前帧所处的投掷阶段的具体方法为：(1)、将投掷过程分解成握弹、拔保险销、回拉引弹、弹投出四个阶段；(2)、根据手雷和手部位置、躯干位置以及右上臂与躯干的角度关系，分别判断出其处于的各个阶段；其中，握弹阶段：右手位于胸前且右手腕关节与肘关节点所成线段近似呈水平状态直至检测到左手靠近右手；拔保险销阶段：左手靠近右手直至检测到保险销拔出；回拉引弹阶段：从保险销拔出到检测到右手腕关节向身后移至最远位置并且高于肩关节；弹投出阶段：从检测到右手腕关节从身后最远位置开始向前运动直至身前最远位置。
进一步的，所述步骤S7中监控是否存在手雷滑落情况发生的具体方法为：(1)、收集各种型号手雷各种姿态下的图片若干张，采用人工标注出手雷的矩形框；(2)、在标记好的手雷数据集上训练Yolo检测模型，用于判断图片中是否出现手雷；(3)、检测当前帧中手雷位置，并利用openpose返回投掷者人体姿态，若手雷与投掷者手部位置超过预先设定的阈值，则认为手雷出现了滑落掉弹状态，即立刻发出预警。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的手雷投掷训练智慧安全监控方法，能够有效预防手雷投掷训练过程中容易产生的各种危险情形，同时更加智能地帮助士兵进行投弹训练。本发明的方法既能实时监控投弹环境、投弹场景是否出现危险情况，也能为部队指挥员分析士兵投弹情况提供数据支撑。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种手雷投掷训练智慧安全监控方法流程图；
图2是本发明中手雷投掷训练智慧安全监控系统的结构示意图；
图3是本发明中手雷投掷训练智慧安全监控系统的安装部署示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1和图2，本实施例提供一种手雷投掷训练智慧安全监控方法，包括以下步骤：
1、布置一套手雷投掷训练智慧安全监控系统，该安全监控系统包括在训练场地内合适的位置安装两台摄像机，其中一台摄像机正对着投掷者投弹位置，用于捕捉整个场地环境和进行投掷者动作分析；另外一台摄像机位于投弹位置的右前方，用于进行辅助数据分析和投掷者动作安全监控分析；同时包括一台监控计算机，用于与两台摄像机分别相连接并进行数据分析处理；另外，还包括用于预警和播报语音的无线耳机，该无线耳机为蓝牙耳机，由教官佩戴，防止预警和播报的声音干扰投掷者。结合图3所示，投弹训练场地包括准备区域、投弹区域、矮墙和高墙，矮墙和高墙平行间隔设置，投弹区域位于矮墙的一侧，且投掷者与矮墙之间的距离d1为70～80cm。本实施例中的两台摄像机分别为用于正对投掷者拍摄的高清球机A和位于高清球机右侧的高清球机B，高清球机A和高清球机B均安装在高墙和矮墙之间的位置，且高清球机A安装在高墙的长度方向正中央的位置，高度为120cm，以使高清球机A可以拍到投掷者及教官的脸部。高清球机B位于高清球机A右侧且二者之间的距离d2为150cm，高清球机B的高度与高清球机A的高度相同，高清球机B对准投掷者拍摄，使之可以拍到投掷者侧身及手部区域。
2、监控计算机协同处理两台摄像机获得的实时图像信息，当检测到有人员进入事先划定好的投弹区域时，启动人员身份确认程序。具体做法为：
(1)采用人体检测算法对事先划定区域进行监控；人体检测算法例如为采用基于梯度直方图的行人检测和基于Yolo系统的人体检测。
(2)一旦发现投弹区域内有人员出现，则进行人脸检测，例如采用Intel VAS算法进行人脸检测；随后进行人脸识别，与后台人脸数据库进行对比(后台数据库中记录了教官和士兵的多张多角度图像)，上传系统。
(3)若识别到该人员为系统授权的投掷者(如：教练或者士兵)，则记录下其身份ID，并持续进行人体跟踪，且将跟踪结果存入其训练投掷的全部过程影音资料中；若无法识别人体身份，则发出警报，通知相关机构未知身份人员闯入，需立即进行介入。
3、对进入的投掷者进行持续性监控分析，判断其站立位置和进行握持手雷姿态安全性分析。具体做法为：(1)根据事先划定的投弹区域，检测人体所出现的区域，判断投掷者是否站立在指定投弹区域；(2)检测投掷者握弹方式是否正常。该检测方法具体如下：
1)、对投掷者进行人体检测和姿态估计：具体是利用openpose人体姿态检测算法，检测出投掷者的右手手部位置。
2)、针对投掷者的右手局部图像进行分析，判断手雷持握位置；结合两台摄像机拍摄的同步图像，寻找合适角度的图片(根据手部姿态角度来判断)，对投掷者的右手进行握弹分析。
3)、根据提前采集到的手雷顶部图片，制作手雷顶部区域的模板图像，然后采用模板匹配方法，检测出手雷顶部区域位置；具体地，首先对投掷者右手的手部图像进行肤色检测，识别出全部的手部区域位置，手部区域位置不参与之后的模板匹配；然后利用openpose的手指关节点信息找到虎口位置；最后，在虎口位置附近的图像区域利用事先制作的手雷顶部区域的模板进行匹配，若匹配度高于预设阈值，则认为检测出手雷顶部区域位置。
4)、判断手雷顶部最上方位置距离右手虎口的相对位置：若手雷顶部区域的质心距离投掷者虎口上面的距离超过检测到的手部肤色区域高度的0.05(该阈值可调整)，则认为手雷持握过高，发出持握过高预警；反之，若该距离小于检测到的手部肤色区域高度的0.01(该阈值可调整)，则认为手雷持握过低，发出持握过低预警；其它情况，则认为正常。
4、持续检测投掷者是否拔掉手雷的保险销；具体方法为：(1)持续检测投掷者的人体姿态，识别出投掷者左右手的姿态。(2)根据投掷者左右手的相对位置，判断左右手是否相对靠近，即将做出拔保险销动作。(3)当投掷者的左右手距离低于某预设阈值，则检测左手手指各关节点位置变化，计算手部主要关节点是否出现旋转动作。(4)若检测出左手出现旋转动作，且旋转角度超过某预设阈值，则认为拔保险销动作即将完成。
5、在投掷者拔掉保险销后检测投掷者握持手雷是否出现松动。在投出手雷之前，如果握持不紧，可能会引起弹片松动，导致击发引信引爆手雷。检测投掷者握持手雷是否出现松动具体方法为：检测手雷顶部左上角是否出现白色圆点，对手雷顶部图像进行二值化处理，分割出白色区域，并检测该白色区域的圆形度即(4*π*area)/(L*L)，其中area为该区域的面积，L为该区域的周长；若该圆形度小于0.1，且area小于预设值，则认为握持手雷出现了松动，发出警告预警，包括语音。
6、持续监控投掷者右上肢与躯干的相对位置，判断当前帧所处的投掷阶段，并记录各阶段的持续时间；具体方法为：
(1)将投掷过程分解成握弹、拔保险销、回拉引弹、弹投出四个阶段。
(2)根据手雷和手部位置、躯干位置以及右手上肢与躯干角度关系，分别判断出其处于的各个阶段。握弹阶段：右手位于胸前且右手腕关节与肘关节点所成线段近似呈水平状态直至检测到左手靠近右手；拔保险销阶段：左手靠近右手直至检测到保险销拔出；回拉引弹阶段：从保险销拔出到检测到右手腕关节向身后移至最远位置并且高于肩关节；弹投出阶段：从检测到右手腕关节从身后最远位置开始向前运动直至身前最远位置。
(3)记录下每个时间段的持续时间和时间节点。
7、持续监控是否存在手雷滑落掉弹状态发生。具体方法为：
(1)、收集各种型号手雷各种姿态下的1万张图片，采用人工标注出手雷的矩形框。
(2)、在标记好的手雷数据集上训练Yolo检测模型，用于判断图片中是否出现手雷。
(3)、检测当前帧中手雷位置，并利用openpose返回投掷者人体姿态，若手雷与投掷者手部位置超过预先设定的阈值，则认为手雷出现了滑落掉弹状态，即立刻发出声光预警。
8、持续检测投掷者的投弹姿势，在检测到投掷者拔掉手雷的保险销后，进行计时，若超过2秒投掷者仍未将手雷抛出，则发出警告预警，包括语音警告和灯光警示，提醒投掷者尽快抛出手雷。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、布置手雷投掷训练智慧安全监控系统，所述智慧安全监控系统包括一台监控计算机、安装在投弹训练场地内的两台摄像机以及用于预警和播报语音的无线耳机；其中一台所述摄像机设置于投掷者投弹位置的正前方，用于捕捉整个场地环境和进行投掷者动作分析；另外一台所述摄像机设置于投掷者投弹位置的右前方，用于进行辅助数据分析和投掷者动作安全监控分析；两台所述摄像机分别与所述监控计算机相连接；所述无线耳机由教官佩戴；
S2、监控计算机协同处理两台所述摄像机获得的实时图像信息，当检测到有人员进入投弹区域时，启动投掷者身份确认程序，判断该人员是否为系统授权的投掷者；
S3、对进入的投掷者进行持续性监控分析，判断其站立位置和进行握弹姿态安全性分析；
S4、持续检测投掷者是否拔掉手雷的保险销；
S5、在投掷者拔掉保险销后检测投掷者握持手雷是否出现松动；
S6、持续监控投掷者右上肢与躯干的相对位置，判断当前帧所处的投掷阶段，并记录各阶段的持续时间；
S7、持续监控是否存在手雷滑落掉弹状态发生；
S8、持续检测投掷者的投弹姿势，在检测到投掷者拔掉保险销后，进行计时，若超过2秒投掷者仍未将手雷抛出，则发出警告预警，提醒投掷者尽快抛出手雷。
2.根据权利要求1所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，所述步骤S1中的投弹训练场地包括准备区域、投弹区域、矮墙和高墙，所述投掷者投弹位置与所述矮墙之间的距离为70～80cm；所述智慧安全监控系统中的两台所述摄像机分别为高清球机A和高清球机B，所述高清球机A和高清球机B均安装在所述高墙和矮墙之间，且所述高清球机A安装在所述高墙的长度方向正中央的位置，高度为110～130cm，所述高清球机A正对投掷者拍摄设置；所述高清球机B距离所述高清球机A120～180cm，所述高清球机B的高度与所述高清球机A的高度相同，所述高清球机B侧向对准投掷者用于对准投掷者拍摄。
3.根据权利要求1所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，所述步骤S2中确认人员身份的具体做法为：采用人体检测算法对投弹区域进行监控，一旦监控到投弹区域内有人员出现，则采用Intel VAS算法进行人脸检测，随后进行人脸识别，与后台人脸数据库进行对比，上传系统；若识别到该人员为系统授权的投掷者，则记录下其身份ID，并持续进行人体跟踪，且将跟踪结果存入其训练投掷的全部过程影音资料中；若无法识别该人员身份，则发出警报，通知相关机构未知身份人员闯入，需立即进行介入。
4.根据权利要求1所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，所述步骤S3中判断投掷者站立位置和进行握持手雷姿态安全性分析的具体做法为：根据事先划定的投弹区域，检测投掷者所出现的区域，判断投掷者是否站立在投弹区域内；并检测投掷者握弹方式是否正常。
5.根据权利要求4所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，检测投掷者握弹方式是否正常的方法包括如下步骤：
(1)、对投掷者进行人体检测和姿态估计：利用openpose人体姿态检测算法，检测出投掷者的右手手部位置；
(2)、针对投掷者的右手局部图像进行分析，判断手雷持握位置；结合两台所述摄像机拍摄的同步图像，寻找合适角度的图片，对投掷者的右手进行握弹分析；
(3)、根据提前采集到的手雷顶部图片，制作手雷顶部区域的模板图像，然后采用模板匹配方法，检测出手雷顶部区域位置；具体地，首先对投掷者右手的手部图像进行肤色检测，识别出全部的手部区域位置，手部区域位置不参与之后的模板匹配；然后利用openpose的手指关节点信息找到虎口位置；最后，在虎口位置附近的图像区域利用事先制作的手雷顶部区域的模板进行匹配，若匹配度高于预设阈值，则认为检测出手雷顶部区域位置；
(4)、判断手雷顶部最上方位置距离右手虎口的相对位置：若手雷顶部区域的质心距离投掷者虎口上面的距离超过检测到的手部肤色区域高度的0.05，则认为手雷持握过高，发出持握过高预警；反之，若该距离小于检测到的手部肤色区域高度的0.01，则认为手雷持握过低，发出持握过低预警；其他情况，则认为正常。
6.根据权利要求1所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，所述步骤S4中检测投掷者是否拔掉手雷的保险销的具体方法为：
(1)、持续检测投掷者的人体姿态，识别出投掷者左右手的姿态；
(2)、根据投掷者左右手的相对位置，判断左右手是否相对靠近，即将做出拔保险销动作；
(3)、当投掷者的左右手距离低于某预设阈值，则检测左手手指各关节点位置变化，计算手部主要关节点是否出现旋转动作；
(4)、若检测出左手出现旋转动作，且旋转角度超过某预设阈值，则认为拔保险销动作即将完成。
7.根据权利要求1所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，所述步骤S5中检测投掷者握持手雷是否出现松动的具体方法为：检测手雷顶部左上角是否出现白色圆点；对手雷顶部图像进行二值化处理，分割出白色区域，并检测该白色区域的圆形度即(4*π*area)/(L*L)，其中area为该区域的面积，L为该区域的周长；若该圆形度小于0.1，且area小于预设值，则认为握持手雷出现了松动，发出警告预警。
8.根据权利要求1所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，所述步骤S6中判断当前帧所处的投掷阶段的具体方法为：(1)、将投掷过程分解成握弹、拔保险销、回拉引弹、弹投出四个阶段；(2)、根据手雷和手部位置、躯干位置以及右上臂与躯干的角度关系，分别判断出其处于的各个阶段；其中，握弹阶段：右手位于胸前且右手腕关节与肘关节点所成线段近似呈水平状态直至检测到左手靠近右手；拔保险销阶段：左手靠近右手直至检测到保险销拔出；回拉引弹阶段：从保险销拔出到检测到右手腕关节向身后移至最远位置并且高于肩关节；弹投出阶段：从检测到右手腕关节从身后最远位置开始向前运动直至身前最远位置。
9.根据权利要求1所述的手雷投掷训练智慧安全监控方法，其特征在于，所述步骤S7中监控是否存在手雷滑落情况发生的具体方法为：(1)、收集各种型号手雷各种姿态下的图片若干张，采用人工标注出手雷的矩形框；(2)、在标记好的手雷数据集上训练Yolo检测模型，用于判断图片中是否出现手雷；(3)、检测当前帧中手雷位置，并利用openpose返回投掷者人体姿态，若手雷与投掷者手部位置超过预先设定的阈值，则认为手雷出现了滑落掉弹状态，即立刻发出预警。
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